場の話

光は波の性質をもっています。古典物理の立場で考えると、波が伝わるには媒質が必要です。一方、光は世の中で最も速く伝わり、真空中でも伝わるということがわかっています。

一般に、波の速さは媒質の硬さが硬い程、速く伝わるはずです。そうすると、正体はわかりませんが、真空中にとてつもなく硬い媒質があることになってしまいます。そこで、何か得体の知れない媒質があると考え、その媒質をエーテルという名で呼んでいました。結局、エーテルは見つからず、通常の物質では説明できませんでした。その当時から、光が電磁波の一種であり、電場と磁場の振動であることはわかっていましたが、電場と磁場(電磁場)の正体がわからなかったわけです。

このように考えてみたらどうでしょう？

例えば、電光掲示板。電光掲示板の上には、小さな発光ダイオードが格子状に並んでいます。これらの発光ダイオードの位置は固定されていますが、そこに表示される文字はあたかも動いているように見えます。実際には１つ１つの素子が点滅を繰り返しているだけで、動いているように見えるのは、点滅のパターンを情報として与えているからです。

電光掲示板のようなもの(電磁場)が目に見えない空間の中に存在し、そこに映し出された光点が光の量子だとしたら、媒質が動くこともなく光の量子が空間の中で伝搬することができるのではないでしょうか？

この仮想的な電光掲示板を積み重ねて立体にすれば、現実の３次元空間との対応も可能です。簡単に言うと、空間そのものに電磁波を伝える属性があると考えれば、説明がつくわけです。この属性こそ、電磁場の正体なのではないでしょうか？

これは光の量子だけに限ったことではありません。電子やクォークも量子ですから、粒子としての性質だけでなく、波としての性質をもっています。電子やクォークもまた、電子の場・クォークの場という"仮想的な電光掲示板"を伝わる光点に過ぎないのではないでしょうか？

このように、すべての物質つまり量子がそれぞれの場の振動に過ぎないという立場から、量子力学を再構成した理論を場の量子論といいます。

この手の話を正確に伝えるには、高度な数学的な知識が必要になります。今後、多少高校生でも理解できるような部分については、若干数式を交えて解説していきたいと思っていますが、今回はこの辺で止めておきましょう。

相互作用の話

クォークとレプトンの一覧には、光の量子(光子といいます)が含まれていません。光子は、クォークやレプトンとは種類の異なる量子なのです。以下、"量子"と書くとわかりづらいので、"粒子"と書きます。

まず、物体間に働く力について説明しましょう。力にはいろいろな種類があります。押したり引いたりする力、重力、摩擦力、電気的な力、分子間に働く力などなど。しかし、重力を除くほとんどの力は、本質的に電磁気力が複雑にからまっているだけなのです。重力・電磁気力とは根本的に異なる力もあります。原子核内部で働く強い力と、原子核の分裂反応に関与する弱い力と呼ばれるものです。現在、わかっている力の種類は、本質的に、この４種類だけです。

それでは、力とは何なのでしょう？

物体に力を加えると、その物体が変形したり、その物体の運動が変化したりします。ただし、その物体は、勝手に変化したのではなく、力を加えた他の物体があるはずです。そうした力を加えた物体にもまた、何らかの変化が起こっているはずです。力を加えたものと力を加えられたものがともに変化するのですから、どちらが主体とはいえません。そこで、こうした作用を相互作用と呼ぶことにします。

そこで、質問を変えましょう。相互作用とは何でしょう？

物体どうしが互いに何らかの変化を及ぼし合うことというのが１つの答えです。その変化は、なぜ１つの物体からもう１つの物体へと作用するのでしょうか？

先に挙げた４種類の力は、正確には次の相互作用に相当します。ただし、ハドロンとは、核子(陽子・中性子の総称)などのクォークの組合せによって構成される粒子です。

• 重力相互作用：質量をもつ物体間に作用する。
• 電磁相互作用：電荷をもつ物体間に作用する。
• 強い相互作用：ハドロン間に作用する。
• 弱い相互作用：ハドロンとレプトンの間に作用する。

これらの相互作用の中で、最初にその本質が明らかにされたのは、強い相互作用です。湯川秀樹が発表した中間子論が、その発端でした。湯川英樹が考えたのは、核子間に働く強い相互作用は中間子(当時まだ未発見)を交換しているために生じているのだということです。
このように、"粒子の交換"という形で相互作用を説明したのが画期的なところです。当時は、クォークという概念はありませんので、核子間の作用を考えていましたが、粒子の交換という猫像は、クォーク間でも成り立ちます。クォークどうしを結び付けている強い相互作用に対応する粒子は、グルーオンと呼ばれています。このように、それぞれの相互作用にはその媒体となる粒子が伴っていると考えられているのです。

かなり遠回りでしたが、やっと光の話に戻ります。結論をいうと、光子は電磁相互作用を媒介する粒子なのです。こうした相互作用を媒介する粒子をボソンといいます。ボソンの種類をまとめておきましょう。

ボソンの種類

重力相互作用	電磁相互作用	強い相互作用	弱い相互作用
グラビトン	フォトン(光子)	グルーオン	ウィークボソン
未発見	質量なし	質量なし	質量をもつ

これらの相互作用のうち、高いエネルギー状態では、弱い相互作用と電磁相互作用は本質的に同一の相互作用であることがわかっています(電弱統一理論)。より高いエネルギー状態では、強い相互作用も同一のものではないかとする大統一理論という考え方や、さらにはすべての相互作用が本質的には同じものなのではないかとする理論(現在、有力なのはM理論)もあります。

素粒子の話

物質の最小単位(素粒子)とは何でしょう？

私たちの身の回りにあるものはすべて、陽子と中性子から成る原子核のまわりにいくつかの電子が取り囲んだ原子やイオンから出来ています。そうすると、あらゆる物質は陽子・中性子・電子だけで出来ているのでしょうか？

電子はある意味で最小単位といってもいいでしょう。しかし、陽子や中性子については、必ずしも最小単位とはいえません。また、陽子や中性子の仲間は、現在では他にもたくさん見つかっています。標準理論といわれる枠組の中では、これらは６種類のクォークという粒子の組合せで説明されます。

クォークの種類

電荷	第１世代	第２世代	第３世代
2/3e	upクォーク(u)	charmクォーク(c)	topクォーク(t)
-1/3e	downクォーク(d)	strangeクォーク(s)	bottomクォーク(d)

さて、この表にある2/3eや-1/3eの電荷とは何でしょうか？

電荷には最小単位があり、素電荷と呼ばれます。素電荷は、電子の電気量と同じ大きさをもつ電荷で、これ以上小さい単位のものは見つかっていません。ここで、eで表したのは素電荷の電気量のことです。しかし、最小単位だと書きましたよね。なのに、クォークはその2/3倍とか1/3倍とか中途半端な値の電荷をもっています。一見、矛盾するようですが、そうではありません。

クォークを単独で取り出すことは出来ないのです。クォークは２つまたは３つの組合せを作り、全体としての電気量が素電荷の整数倍となる形でしか、存在できないと考えられています。

３つ組で整数になるのはわかると思いますが、2/3と-1/3のみの組合せを考えたときに２つで整数になるのでしょうか？

実は、クォークには反対の符号をもつ反粒子が存在しており、それを考慮すれば、2/3+1/3=1などの整数値をとり得るのです。

最初にクォークという粒子と書きましたが、もちろん量子力学で扱わなくてはならないスケールの話ですから、正確には波と粒子の両方の性質をもった量子と書くべきでしょう。そして、量子力学的には、観測できない構造は物理量として定義できないので、クォークが単体で取り出せない以上、わかりやすくモデル化したにすぎません。

ところで、上の表には、電子が含まれていません。電子は、レプトンと呼ばれる素粒子の一種で、他にも同じような性質をもっているμ粒子(ミューオン)とτ粒子(タウオン)という仲間がいます。

レプトンの種類

電荷	第１世代	第２世代	第３世代
-e	電子(e)	μ粒子(μ)	τ粒子(τ)
0	電子ニュートリノ	μニュートリノ	τニュートリノ

この表は、クォークの表に非常によく似ていますね。upクォーク、downクォーク、電子、電子ニュートリノを１組と考えると、それと同じような組合せが３世代連なっているように見えます。自然な発想として、第４世代はないのかという疑問が湧いてきますが、この問題はすでにほぼ決着がついており、第３世代までで終了と考えられています。

クォークがなぜ３つ組や２つ組でしか存在できないのか、またニュートリノって何なの？など、いろいろと疑問点が残りますが、その辺についてはまた別な機会に説明しましょう。